便攜式設(shè)計(jì)中圖像采集與處理的挑戰(zhàn)與解決方案

在傳統(tǒng)的相機(jī)模塊中，光學(xué)鏡頭倉(cāng)被設(shè)計(jì)用來(lái)聚焦光源點(diǎn)，因此放置在相機(jī)內(nèi)離成像器一定的距離的位置上。如果鏡頭無(wú)法聚焦或者目標(biāo)離鏡頭太近，涂點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在彌漫的區(qū)域，因此圖像會(huì)變得模糊。這種鏡頭將光源變換成模糊光斑的規(guī)律可以描述成一種數(shù)學(xué)上的變化，稱(chēng)之為點(diǎn)擴(kuò)散功能。如果鏡頭的點(diǎn)擴(kuò)散功能已知，模糊可以通過(guò)使用數(shù)字信號(hào)處理來(lái)恢復(fù)到原始的現(xiàn)場(chǎng)情景。但當(dāng)圖片中的僅某個(gè)區(qū)域失焦，則不管采用什么變換方法，都無(wú)法可靠的識(shí)別出來(lái)。軟件增強(qiáng)光學(xué)解決了這個(gè)問(wèn)題，方法是通過(guò)可控的方法來(lái)重新定焦整個(gè)圖像。鏡頭有效的創(chuàng)建了一個(gè)不管離光源多遠(yuǎn)模糊程度都一樣的圖像，這可以通過(guò)一個(gè)直接的算法來(lái)進(jìn)行解交織。其結(jié)果使得圖像更加良好、清晰，不管前景、中距或者遠(yuǎn)景都能同時(shí)在焦點(diǎn)上。圖8給出一個(gè)很好的例子。

圖.一種傳統(tǒng)的鏡頭只能聚焦有限范圍內(nèi)的目標(biāo)，尤其是中距和遠(yuǎn)距離的目標(biāo);一種軟件增強(qiáng)光學(xué)解決方案，如OptiML聚焦，可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展景深，從10厘米到無(wú)窮遠(yuǎn)，而無(wú)需增相機(jī)模塊的高度或者復(fù)雜度。來(lái)源：Tessera公司

關(guān)于拍照手機(jī)的主要抱怨之一是其低能見(jiàn)度時(shí)的性能。其實(shí)這只是一個(gè)半真理命題。小型相機(jī)模塊因?yàn)槠湎袼爻叽绲目s小，無(wú)疑導(dǎo)致了相對(duì)于數(shù)字靜止相機(jī)光學(xué)靈敏度的降低。從2007年像素尺寸為2.2μm到2008年的1.75μm，預(yù)計(jì)2009年會(huì)發(fā)展到1.4μm，最終會(huì)達(dá)到1.1μm，這一趨勢(shì)會(huì)對(duì)低能見(jiàn)度性能和圖像質(zhì)量有著顯著的影響。簡(jiǎn)而言之，隨著像素尺寸的降低，其敏感度也在減小。從更為技術(shù)的角度來(lái)看，光二極管吸收光子和釋放電子的能力隨著像素的下降而減弱。小像素尺寸帶來(lái)的其他相應(yīng)影響，包括第動(dòng)態(tài)范圍和下降的信噪比?，F(xiàn)實(shí)中，拍照手機(jī)較差低能見(jiàn)度性能的感知更主要的是由越來(lái)越多在低能見(jiàn)度環(huán)境下拍照而帶來(lái)的;典型的，在晚上以及在如俱樂(lè)部和飯店等場(chǎng)所，在這些地方的光照強(qiáng)度大約在5 lux，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于白天室外的>350 lux。由于亮度下降，從數(shù)字成像器得到的圖片質(zhì)量自然迅速惡化，如同增加噪聲一樣出現(xiàn)缺陷，細(xì)節(jié)丟失或者色彩錯(cuò)誤。

拍照手機(jī)低能見(jiàn)度性能不足的一個(gè)重要原因是，無(wú)法改變光學(xué)鏡頭倉(cāng)的F值，因?yàn)檫@在制造時(shí)就一定固定了。大多數(shù)數(shù)字靜態(tài)相機(jī)提供了一個(gè)增大光圈的選項(xiàng)，來(lái)補(bǔ)償昏暗場(chǎng)景下光子數(shù)目的減少。但機(jī)械可調(diào)光圈會(huì)使得機(jī)身變得很大、不堅(jiān)固、反應(yīng)速度慢并功耗較高。簡(jiǎn)單的降低固定光圈相機(jī)的F值來(lái)提高低光敏感度，不是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)檩^大的光圈會(huì)減小景深，從而當(dāng)場(chǎng)景有景深時(shí)很難獲取一個(gè)很好的圖像質(zhì)量。典型的，標(biāo)準(zhǔn)拍照手機(jī)使用的光圈在F/2.8到F/2.4之間，主要是為了保留足夠的深度，來(lái)對(duì)正常亮度條件下的對(duì)焦。一個(gè)簡(jiǎn)單的成像光圈固定，在低光條件下，不能延長(zhǎng)曝光時(shí)間。然而，這會(huì)使得圖片易受到運(yùn)動(dòng)模糊或機(jī)身晃動(dòng)的影響，并且不可能用于視頻采集，因?yàn)橐曨l采集需要曝光時(shí)間受幀率限制在67毫秒以內(nèi)。

“速度”是描述光學(xué)系統(tǒng)將光線傳遞到成像器的能力的一種簡(jiǎn)單方法。在光線好的環(huán)境下對(duì)“慢鏡頭”進(jìn)行操作。這是因?yàn)?，光學(xué)允許使用小光圈以及慢快門(mén)來(lái)獲取很好的景深。而在差光線下或在好光線但需要快門(mén)速度很快(如下面提到的體育運(yùn)動(dòng))的條件下拍照，需要一個(gè)“快鏡頭”。因此，這個(gè)挑戰(zhàn)是在光照條件、景深、快門(mén)速度間提供一個(gè)很好的聯(lián)系，并開(kāi)發(fā)一種快速鏡頭來(lái)適用于低光場(chǎng)景。

軟件增強(qiáng)光學(xué)為拍照手機(jī)提供了一種全自動(dòng)解決方法，從而可以使消費(fèi)者可以在更廣泛的光照條件下拍攝清晰的圖片。這種方法的基本思想是設(shè)計(jì)帶有低F值光學(xué)器件的相機(jī)模塊，典型是F/1.75，并通過(guò)一種上述的擴(kuò)展景深解決方案來(lái)將景深恢復(fù)成正常情況。低F值光學(xué)器件使超高速鏡頭解決方案適用于靜態(tài)攝影以及視頻采集。信號(hào)處理可以補(bǔ)償對(duì)比度的損失并隨后降低最終圖像中的噪聲，而保留了原始圖像的邊緣、細(xì)節(jié)以及質(zhì)地等。這是可能的，因?yàn)閷?xiě)入線性緩存器中供算法使用的信息提供了基于像素平均的數(shù)據(jù)，并提高了圖像的信噪比約6個(gè)dB。該種方案的有效性可以通過(guò)對(duì)比圖9中由1.75μm成像器得到的兩張圖來(lái)描述。

實(shí)現(xiàn)

軟件增強(qiáng)光學(xué)綜合了專(zhuān)業(yè)鏡頭和自定義的算法，從而提供了有著卓越質(zhì)量的圖片，并對(duì)用戶完全透明。然而，相機(jī)模塊的設(shè)計(jì)師們需要事先考慮如何將這些增強(qiáng)技術(shù)納入到手持機(jī)中，而不是一個(gè)插件的形式。原則上，所有需求只是一個(gè)客戶制定的光學(xué)鏡頭倉(cāng)中的鏡頭，這可以通過(guò)現(xiàn)有的架構(gòu)和鏡頭材料來(lái)制造而成。自定義的鏡頭可以甚至可以取代現(xiàn)有的鏡頭。和這個(gè)鏡頭一起的，還有圖像處理算法。用于這些方案中的算法可以非常小，通常是10萬(wàn)級(jí)邏輯門(mén)。這對(duì)于嵌入到CMOS成像器而言非常小，但這需要與成像器制作商協(xié)調(diào)，然后模具必須安置正確的光學(xué)器件。

另一種放置算法的方法是軟件或固件的形式，可以運(yùn)行在圖像處理器或者手機(jī)處理器上。同樣，兩種方案在技術(shù)角度上都很簡(jiǎn)單，但需要與傳統(tǒng)的相機(jī)模塊供應(yīng)商進(jìn)行很好的溝通。不過(guò)，這些方案的益處是如此引人注目，帶有擴(kuò)展景深的3百萬(wàn)像素拍照手機(jī)已在量產(chǎn)并將在2009年配置到高分辨率相機(jī)-連同變焦和超快速鏡頭解決方案。

雖然這些可以提升高度微型化和低成本相機(jī)模塊的原始性能的軟件增強(qiáng)光學(xué)工作，是獨(dú)立于變焦解決方案，他們都沒(méi)有提供可以提升用戶拍攝體驗(yàn)時(shí)的滿意度的功能。這個(gè)問(wèn)題并不涉及相機(jī)模塊設(shè)計(jì)師們，而是原始設(shè)備制造商的任務(wù)。一個(gè)數(shù)碼相機(jī)最常見(jiàn)的問(wèn)題是紅眼現(xiàn)象，這解釋了為什么當(dāng)前80%以上的數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)都實(shí)現(xiàn)了減弱紅眼現(xiàn)象的功能。這些功能是否會(huì)在拍照手機(jī)上提供，以及它們是如何被集成的，我們將在本系列文章的第四部分討論。